專利名稱：：物質(zhì)和光表示之間的量子信息轉(zhuǎn)換的制作方法物質(zhì)和光表示之間的量子信息轉(zhuǎn)換籃現(xiàn)在已經(jīng)提出量子信息系統(tǒng)的許多物理實(shí)現(xiàn)。一類量子系統(tǒng)使用原子、離子、分子或其他物質(zhì)的量子狀態(tài)來表示諸如量子位(qubit)之類的量子信息。這種類型的一些特別有希望的提議經(jīng)由激光驅(qū)動(dòng)的光躍遷(opticaltransition)實(shí)現(xiàn)幺正操作(unitaryoperation)和物質(zhì)量子位中的讀出。這些系統(tǒng)的例子包括如J.Cirac和P.Zoller:Phys.Rev.Lett.74，4091(1995)描述的離子阱系統(tǒng)，如Jelezko等人，Phys.Rev.Lett.92，076401(2004)和Nizovtsev等人OpticsandSpectroscopy99，233(2005)所描述的Y吏用金剛石(diamond)中的氮空位(nitrogen-vacancyN-V)缺陷的系統(tǒng)，以及如Pazy等人，Europhys.Lett62，175(2003)或Nazir等人，Phys.Rev.Lett.93，150502(2004)所描述的使用具有單個(gè)過剩電子(excesselectron)的量子點(diǎn)中的泡利阻塞效應(yīng)(Pauli-blockadeeffect)的系統(tǒng)。所提出的其他量子信息系統(tǒng)使用光子的量子狀態(tài)來表示量子位。例如，Knill，Laflamme和Milburn，Nature409，26(2001)提出了使用以線性光學(xué)器件(linearoptics)操縱的光量子位的量子計(jì)算系統(tǒng)?，F(xiàn)在也已經(jīng)開發(fā)出使用如在一些表現(xiàn)出電磁感應(yīng)透明(ElectromagneticallyinducedtransparencyEIT)的系統(tǒng)中提供的非線性光-光交互(light-lightinteraction)的光量子信息系統(tǒng)。參見，例如R.G.Bea謂leil,WJ.M窗o和T.P.Spiller,JournalofModernOptics51，1559(2004)。物質(zhì)和光子量子信息系統(tǒng)都有優(yōu)點(diǎn)。例如，就量子信息的存儲(chǔ)而言靜止(stationary)物質(zhì)系統(tǒng)要好于光子，光子本身固有地是移動(dòng)的。相比之下，在分離的物質(zhì)系統(tǒng)之間執(zhí)行量子交互會(huì)帶來技術(shù)上和結(jié)構(gòu)體系上的難題，在包含許多量子位的系統(tǒng)中尤其如此。相比之下，能夠選擇光子并且將光子集合在一起以供交互的光學(xué)系統(tǒng)可以通過使用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)來構(gòu)建。使用物質(zhì)和光子這二者來表示或傳送量子信息的混合系統(tǒng)可能能夠利用物質(zhì)和光子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，這樣的混合系統(tǒng)將常常需要用于在物質(zhì)(matter)和光子表示之間轉(zhuǎn)換或變換量子信息的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，過程和系統(tǒng)能夠在光模和物質(zhì)系統(tǒng)之間變換量子信息。在一個(gè)這樣的過程中，光子的輸入模的狀態(tài)能夠表示要被寫入物質(zhì)系統(tǒng)的量子信息。所述過程包括初始化物質(zhì)系統(tǒng)在已知狀態(tài)，所述已知狀態(tài)是基礎(chǔ)狀態(tài)(basisstate)的組合；對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)施加激勵(lì)(excitation)，所述激勵(lì)能夠?qū)⒒A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；以及為從物質(zhì)系統(tǒng)輻射的光子測(cè)量輸入模和輻射模的組合狀態(tài)。組合狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果能夠是這樣的以致輻射模和物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)變成凈皮解除糾結(jié)(disentangle),并且物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)取決于量子信息。根據(jù)本發(fā)明的這方面的系統(tǒng)能夠包括輸入模、物質(zhì)系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)、輻射模和測(cè)量系統(tǒng)。輸入模是針對(duì)表示量子信息的光子狀態(tài)而言的。物質(zhì)系統(tǒng)具有的量子狀態(tài)包括第一和基礎(chǔ)狀態(tài)，并且激勵(lì)系統(tǒng)能夠?qū)⒒A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)(excitedstate)。輻射模是針對(duì)當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)從激發(fā)狀態(tài)躍遷時(shí)從物質(zhì)系統(tǒng)輻射的光子而言的。測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量輸入模和輻射模的組合狀態(tài)，并且組合狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果是這樣的以致輻射模和物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)解除糾結(jié)并且物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)果狀態(tài)取決于量子信息。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，過程最初使用物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)來表示量子信息，其中物質(zhì)系統(tǒng)的量子狀態(tài)包括第一和第二基礎(chǔ)狀態(tài)。所迷過程然后向物質(zhì)系統(tǒng)施加激勵(lì)，所述激勵(lì)能夠?qū)⒒A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；等待一段時(shí)間以使得光子很可能被從激發(fā)狀態(tài)的衰變(decay)輻射出并且之后進(jìn)入輻射狀態(tài)；并且在對(duì)角線(diagonal)基礎(chǔ)上測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的系統(tǒng)包括物質(zhì)系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)、輻射模、測(cè)量系統(tǒng)和狀態(tài)校正系統(tǒng)。物質(zhì)系統(tǒng)具有的量子狀態(tài)包括第一和第二基礎(chǔ)狀態(tài)，并且激勵(lì)系統(tǒng)能夠?qū)⒌谝缓偷诙A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)。通過狀態(tài)校正系統(tǒng)的輻射模是針對(duì)當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)從激發(fā)狀態(tài)躍遷時(shí)從物質(zhì)系統(tǒng)輻射的光子而言的。測(cè)量系統(tǒng)能夠被配置成測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)和控制狀態(tài)校正系統(tǒng)，以使?fàn)顟B(tài)校正系統(tǒng)執(zhí)行根據(jù)來自測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果而選擇的操作。本發(fā)明的又一實(shí)施例提供了操縱量子信息的過程。所述過程包括使用含有基礎(chǔ)狀態(tài)的表示來對(duì)量子信息進(jìn)行編碼，所述基礎(chǔ)狀態(tài)是包括第一系統(tǒng)的第一狀態(tài)和第二系統(tǒng)的第二狀態(tài)的積。特別地，第一狀態(tài)是第一物質(zhì)系統(tǒng)和第一光子模的糾結(jié)(entangled)狀態(tài)，并且所述過程測(cè)量第一光子模以檢測(cè)光子的損失。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠把使用光子狀態(tài)表示的量子信息寫入使用物質(zhì)系統(tǒng)的量子狀態(tài)的表示中。圖2A和2B是在圖1的系統(tǒng)中使用的一些適合的物質(zhì)系統(tǒng)的能級(jí)圖。圖3A、3B、3C和3D示出適合在圖1的系統(tǒng)中使用的可替換的測(cè)量系統(tǒng)。圖4是用于將最初用光子狀態(tài)表示的量子信息寫入物質(zhì)系統(tǒng)的過程的流程圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠在使用物質(zhì)系統(tǒng)的量子狀態(tài)的表示和使用光子狀態(tài)的表示之間變換量子信息。圖6是用于從物質(zhì)系統(tǒng)讀取量子信息以便使用光子狀態(tài)對(duì)量子信息進(jìn)行編碼的過程的流程圖。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠讀和寫量子化息。圖8是用于從物質(zhì)系統(tǒng)讀取量子信息以便使用糾結(jié)的光子狀態(tài)對(duì)量子信息進(jìn)行編碼的過程的流程圖。圖9是使用物質(zhì)和光的糾結(jié)狀態(tài)對(duì)量子位進(jìn)行抗差錯(cuò)(errorresistant)編碼的系統(tǒng)的才匡圖。圖10是圖示出用于使用物質(zhì)和光的糾結(jié)狀態(tài)對(duì)量子信息進(jìn)行編碼的過程的流程圖。在不同的附圖中所使用的相同的附圖標(biāo)記指代相同或相似的項(xiàng)詳纟田描述所提供的結(jié)構(gòu)和方法允許把用光的量子狀態(tài)表示的量子信息變換為使用物質(zhì)系統(tǒng)的量子狀態(tài)的表示；把由物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)表示的量子信息變換為使用光的狀態(tài)的表示；以及使用物質(zhì)和光的糾結(jié)狀態(tài)對(duì)量子信息進(jìn)行編碼以最小化或校正差錯(cuò)。將量子信息從光變換到物質(zhì)系統(tǒng)的過程在此有時(shí)被稱作"寫"量子信息，而將量子信息從物質(zhì)系統(tǒng)變換到光的過程在此有時(shí)被稱作"讀"量子信息。使用光和物質(zhì)的糾結(jié)狀態(tài)來對(duì)量子信息進(jìn)行編碼能夠最小化與光子損失相關(guān)聯(lián)的差錯(cuò)，例如，在讀或?qū)懥孔有畔⑵陂g就是這樣。圖1示意性地圖示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的量子信息系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例。系統(tǒng)100包括兩個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2(有時(shí)被統(tǒng)稱作物質(zhì)系統(tǒng)110)和量子位l《〉p或者由光子輸入模160的狀態(tài)表示的其他量子信息的源150。通常，源150可以是通信系統(tǒng)、量子計(jì)算機(jī)或任何產(chǎn)生表示量子位K的光子狀態(tài)的量子信息系統(tǒng)的一部分，量子位l《〉p能夠被寫入其中一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110中以供存儲(chǔ)或進(jìn)一步操縱。用于量子位l^的模160將光子從源150傳送到光學(xué)系統(tǒng)170，并且可以例如通過使用自由空間光路、波導(dǎo)或光纖來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110具有量子狀態(tài)l個(gè)〉和l",量子狀態(tài)可以以物質(zhì)量子位的基礎(chǔ)或邏輯狀態(tài)|0〉和|1〉來標(biāo)識(shí)。在示例性實(shí)施例中，狀態(tài)l個(gè)〉和W是與晶體或者任何其他類型的物質(zhì)系統(tǒng)中的原子、分子、離子、缺陷相關(guān)聯(lián)的長壽(longlived)、低位(low-lying)自旋投影(spinprojection)狀態(tài)。一些已知的具有適合于物質(zhì)系統(tǒng)110的狀態(tài)和量子能級(jí)的系統(tǒng)包括如Jelezko等人，Phys.Rev.Lett.92，076401(2004)或Nizovtsev等人OpticsandSpectroscopy99，233(2005)所描述的金剛石中的N-V缺陷，以及如E.Pazy等人，Europhys.Lett62,175(2003)或Nazir等人,Phys.Rev.Lett.93,150502(2004)所描述的具有單個(gè)過剩電子的量子點(diǎn)，以及各種捕獲離子(trappedion)和原子系統(tǒng)。圖2A示出物質(zhì)系統(tǒng)110的一個(gè)實(shí)施例的能級(jí)圖200。在圖2A的實(shí)施例中，每個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)llO都具有激發(fā)狀態(tài)le〉，該狀態(tài)通過單光子輻射/吸收而僅耦合(couple)到狀態(tài)l個(gè)〉和l"中的一個(gè)。在不失一般性的情況下，圖2A和以下描述假定激發(fā)狀態(tài)le〉耦合到狀態(tài)l丄〉，并且激發(fā)狀態(tài)|力與狀態(tài)I"之間的躍遷被禁止，例如通過基于守恒定律(例如能量守恒或角動(dòng)量守恒)的選擇規(guī)則來禁止。物質(zhì)系統(tǒng)110在狀態(tài)|e〉與I"之間的耦合存在、但與狀態(tài)|e〉與I"之間的耦合相比很弱的情況下也可以是合適的。圖2B示出物質(zhì)系統(tǒng)110的可替換的實(shí)施例的能級(jí)圖250。在圖2B的實(shí)施例中，每個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)iio的量子狀態(tài)l"和l;〉這二者都具有相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)l個(gè)e〉和l"〉，所述激發(fā)狀態(tài)lTe〉和l;4通過單光子的輻射/吸收而分別耦合到狀態(tài)l"和l",并且輻射/吸收的光子具有這樣的極化(polarization)，所述極化視在躍遷中所涉及的特定狀態(tài)|個(gè)〉或|"而不同。在不失一般性的情況下，以下假定激發(fā)狀態(tài)l個(gè)e〉通過水平極化的光子狀態(tài)li/〉的輻射而躍遷到狀態(tài)l個(gè)〉，而激發(fā)狀態(tài)l"〉通過垂直極化光子狀態(tài)^〉的輻射而躍遷到狀態(tài)|"。Lim等人"Repeat-Until-SuccessLinearOpticsDistributedQuantumComputing"PRL95，030505(2005)和Lim等人""QuantumComputingwithDistantSinglePhotonSourceswithInsurance，，quant-ph/0408043v2(2004)進(jìn)一步描述了這樣的物質(zhì)系統(tǒng)。表現(xiàn)出圖2A和2B所示的行為的物質(zhì)系統(tǒng)110很好地適合做這樣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)分別使用針對(duì)光子量子位的極化表示和單軌(single-rail)表示。然而，每種表示類型在不同的應(yīng)用中有著優(yōu)勢(shì)。例如，在極化基礎(chǔ)上，與光子損失相對(duì)應(yīng)的差錯(cuò)通過使用極化保留(preserving)、非吸收光子才企測(cè)器而能夠浮皮相對(duì)簡單地識(shí)別，如W.J.M而o,K.Nemoto，R.G.Beausolei1和T.P.Spiller,Phys.Rev.A71,033819(2005)，GJ.Milburn和D.F.Walls,Phys.RevA30，56(1984),或N.Imoto，H.A.Haus，和Y.Y廳moto，Phys.Rev.A32，2287(1985)所描述的。物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2位于各自的光腔(opticalcavity)120-1和120-2(有時(shí)被統(tǒng)稱為光腔120)中。每個(gè)光腔120優(yōu)選地具有與當(dāng)相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)系統(tǒng)110的一個(gè)或多個(gè)激發(fā)狀態(tài)衰變時(shí)輻射的一個(gè)或多個(gè)光子的波長相對(duì)應(yīng)的諧振模。光腔120-1和120-2還被構(gòu)建成優(yōu)先把輻射的光子泄漏(leak)到各自的輻射模130-1和130-2。具有高度優(yōu)選的光輻射方向的漏(leaky)光腔120能夠通過使用已知的量子光學(xué)技術(shù)來構(gòu)建。模130傳送光子，模130能夠包括光學(xué)系統(tǒng)，例如自由空間光路、波導(dǎo)或光纖。圖1的激勵(lì)系統(tǒng)140對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2操作以便有選擇地改變物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2中一者或二者的狀態(tài)。例如，對(duì)于具有圖2A的能級(jí)圖的物質(zhì)系統(tǒng)110,激勵(lì)系統(tǒng)140能夠產(chǎn)生7T-脈沖，所述7t-脈沖引發(fā)從分量(component)狀態(tài)|4〉到激發(fā)狀態(tài)—〉的躍遷，而沒有引起從分量狀態(tài)l個(gè)〉到激發(fā)狀態(tài)le〉的躍遷。對(duì)于具有與圖2B相對(duì)應(yīng)的能級(jí)的物質(zhì)系統(tǒng)110，激勵(lì)系統(tǒng)140能夠產(chǎn)生7T-脈沖，所述7T-脈沖高效地將狀態(tài)|個(gè)〉和|"這二者驅(qū)動(dòng)到它們各自的激發(fā)狀態(tài)|個(gè)》和"〉。激發(fā)狀態(tài)140還可以被用于引發(fā)物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2在狀態(tài)l個(gè)〉和l"之間的躍遷，例如針對(duì)單量子位操作而言就是這樣，但是就不同躍遷而言，激勵(lì)系統(tǒng)140可能需要分離的子系統(tǒng)，這是由于與狀態(tài)|個(gè)〉和狀態(tài)|"之間的躍遷相關(guān)聯(lián)的能量和與到激發(fā)狀態(tài)的躍遷相關(guān)聯(lián)的能量之間的差異所致。為了說明的目的，下文強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例，系統(tǒng)100使用金剛石中的N-V缺陷作為物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2。N-V缺陷對(duì)應(yīng)于在金剛石晶體中代替碳(C)原子并且緊鄰空位的氮(N)原子。已知這樣的缺陷具有與自旋為1(spin-one)的系統(tǒng)自旋投影-1、0和l相對(duì)應(yīng)的三重基態(tài)(tripletgroundstate)，并且所述基態(tài)具有到第一激發(fā)的三重態(tài)的強(qiáng)偶極子容許(stronglydipoleallowed)的光學(xué)躍遷。外部磁場(chǎng)能夠被施加到N-V缺陷以打斷基態(tài)的衰退(degeneracy)并且三重態(tài)中的兩個(gè)(例如±1自旋投影狀態(tài))然后能夠被用作狀態(tài)l個(gè)〉和l;〉。在物質(zhì)系統(tǒng)no把具有狀態(tài)l個(gè)〉和l丄〉的量子位表示為基礎(chǔ)狀態(tài)時(shí)，通常不需要或不使用第三N-V缺陷狀態(tài)(例如，具有自旋投影0)。激發(fā)狀態(tài)與N-V缺陷的基態(tài)/基礎(chǔ)狀態(tài)之間的躍遷產(chǎn)生具有光波長的光子，從而允許常規(guī)光學(xué)元件和光電二極管在光學(xué)系統(tǒng)170中的使用。本發(fā)明的示例性實(shí)施例中的N-V缺陷位于高壓、高溫金剛石(類型lb)的納米晶(nanocrystallite)中。納米晶的直徑約為20nm(納米)，能夠被嵌入諧振腔120-1和120-2，其可以被形成在晶片(wafer)或電路小片(die)中和晶片或電路小片上，例如，作為光子晶體內(nèi)的缺陷。整個(gè)結(jié)構(gòu)然后能夠被保持在這樣的溫度，所述溫度向物質(zhì)系統(tǒng)110的狀態(tài)提供期望的相干時(shí)間。通常，已知N-V缺陷的自旋狀態(tài)在室溫下保持相干的時(shí)間在毫秒級(jí)，而在低溫下(例如，約2°K)可達(dá)秒級(jí)。用于N-V缺陷110-1和110-2的激勵(lì)系統(tǒng)140優(yōu)選地包括激光器，所述激光器能夠產(chǎn)生用作TT-脈沖的短脈沖，所述TT-脈沖高效地激勵(lì)基礎(chǔ)狀態(tài)l個(gè)〉和I"中的一者或二者。量子位源150產(chǎn)生要被寫入其中一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110的量子位l《〉p。等式1示出量子位l^的一般形式，此處c。和d是復(fù)常數(shù)，而狀態(tài)IO、和ll〉p是任何期望的光子表示的量子位基礎(chǔ)狀態(tài)。例如，在單軌表示中，狀態(tài)IO〉p和^能夠?qū)?yīng)于分別包含0和1光子的?？?Fock)狀態(tài)。可替換地，在極化基礎(chǔ)上，狀態(tài)lo〉p和li〉p可以對(duì)應(yīng)于分別具有水平和垂直線性極化的單光子狀態(tài)|//〉和|0。等式1:1《〉,c。l0、+c,11》光學(xué)系統(tǒng)170可選地包括光網(wǎng)絡(luò)或開關(guān)(switch)152和154。光網(wǎng)絡(luò)152能夠針對(duì)要被寫入物質(zhì)系統(tǒng)110的光量子位而在多個(gè)光輸入模160之中進(jìn)行選擇，而光網(wǎng)絡(luò)154能夠在輻射模130之中進(jìn)行選擇以選擇哪個(gè)物質(zhì)110是寫操作的目標(biāo)。光學(xué)系統(tǒng)170中的測(cè)量系統(tǒng)300以這樣的方式測(cè)量所選擇的光模132和162,所述方式即將量子信息轉(zhuǎn)送到所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110并且消去模132和162的狀態(tài)與所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的耦合。圖3A到3D圖示了一些合適的測(cè)量系統(tǒng)的例子，所述系統(tǒng)為將在下文中描述的寫過程執(zhí)行必要的操作。圖4圖示了當(dāng)把光子量子位K寫入其中一個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)110時(shí)圖1的系統(tǒng)100能夠執(zhí)行的寫過程400的流程圖。過程400開始于在步驟410選擇要將量子位寫入其中的一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110。在系統(tǒng)100中，光網(wǎng)絡(luò)154通過為從所選擇的光學(xué)系統(tǒng)110-1或110-2輻射的光子提供去往測(cè)量系統(tǒng)300的光路來選擇所期望的物質(zhì)系統(tǒng)110-1或110-2。步驟420然后將所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110初始化成已知狀態(tài)，例如等式2中所示的對(duì)角線狀態(tài)I+L。如將會(huì)根據(jù)下文所理解的，所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)100的其他已知狀態(tài)可以在對(duì)如下所描述的狀態(tài)校正或測(cè)量進(jìn)行適當(dāng)修改的情況下被可替換地使用。在步驟430中，激勵(lì)系統(tǒng)140將7T-脈沖施加到所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110以便將物質(zhì)系統(tǒng)110的基礎(chǔ)狀態(tài)中的一者或二者驅(qū)動(dòng)到相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)激發(fā)狀態(tài)。作為說明性例子，以下假定物質(zhì)系統(tǒng)iio具有等式2:圖2A的能級(jí)，以使步驟430將所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到等式3中所示的狀態(tài)l+、。就使用具有其他能級(jí)(如圖2B的例子所示的能級(jí))的物質(zhì)系統(tǒng)110的系統(tǒng)而言，鑒于本公開，寫過程的變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是很明顯的。等式3:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>在步驟440期間，過程400等待一時(shí)間段，所述時(shí)間段要足以提供物質(zhì)系統(tǒng)110的激發(fā)狀態(tài)輻射光子并且周圍的腔120將任何輻射的光子釋放到輻射模130的高概率。如上所述，物質(zhì)系統(tǒng)110通過輻射光子到與光子相耦合到的腔模而衰變，并且腔120的腔參數(shù)優(yōu)選地被設(shè)置成使得該腔光子然后以高概率輻射到相應(yīng)的輻射模130。步驟440的等待時(shí)間通常需要是這樣的，以使激發(fā)狀態(tài)的任何幅度將以高概率衰變并且腔激勵(lì)將在等待步驟440結(jié)束之時(shí)就已經(jīng)被輻射了。等式3示出由物質(zhì)系統(tǒng)110的衰變和釋放光子到物質(zhì)系統(tǒng)110的輻射模130引起的狀態(tài)。在等式3中，狀態(tài)IA和A是包含來自所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的輻射的模130和132的基礎(chǔ)狀態(tài)。由在步驟440的分配時(shí)間內(nèi)激發(fā)狀態(tài)未能衰變或者腔未能釋放光子到模130所引起的差錯(cuò)能夠通過如下文進(jìn)一步描述的那樣通過對(duì)量子信息進(jìn)行編碼來檢測(cè)和校正。步驟450選擇要被寫入所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的光子量子位并且將與所選擇的量子位相關(guān)聯(lián)的光子引導(dǎo)至測(cè)量系統(tǒng)300的輸入模162。系統(tǒng)100能夠使用光網(wǎng)絡(luò)152實(shí)現(xiàn)該選擇，所述光網(wǎng)絡(luò)152為所選擇的光子量子位提供去往輸入模162的光路。等式4給出在步驟450之后、包括所選擇的輸入模162、所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110和相應(yīng)的輻射模132的系統(tǒng)的狀態(tài)k〉。等式4:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>在步驟460中，測(cè)量系統(tǒng)300測(cè)量模132和162的組合狀態(tài)以便采用將量子信息變換到物質(zhì)狀態(tài)的方式使光子狀態(tài)和物質(zhì)狀態(tài)解除糾結(jié)。圖3A、3B、3C和3D分別圖示出不同的測(cè)量系統(tǒng)300A、300B、300C和300D，這些系統(tǒng)適合于在測(cè)量步驟460中實(shí)現(xiàn)可替換的測(cè)量過程。圖3A示出示例性測(cè)量系統(tǒng)300A,所述系統(tǒng)包括用于執(zhí)行貝爾(Bell)狀態(tài)測(cè)量的貝爾狀態(tài)分析器310。S.D.Barrett,P.Kok，LNemoto，R.G.Beausoleil，W.J.Munro和T.P.Spiller,PhysicalReviewA，71,060302R(2005)和K.Nemoto和WJ.Munro，Phys.Rev.Let.93，250502(2004)描述了貝爾狀態(tài)分析器的一些合適的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)模132和162執(zhí)行的貝爾狀態(tài)測(cè)量將等式4的狀態(tài)IW投影到希爾伯特(Hilbert)子空間，所述希爾伯特子空間依賴于如表1所指示的測(cè)量結(jié)果。例如，識(shí)別出模132和162的組合狀態(tài)是貝爾狀態(tài)《00>+|11〉)/^的測(cè)量結(jié)果將所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110投影到所期望的量子位狀態(tài)c。l個(gè)〉+4^。識(shí)別出其他貝爾狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果將所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110投影到這樣的狀態(tài)，以使對(duì)所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)單量子位操作產(chǎn)生所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)的期望狀態(tài)。步驟470執(zhí)行狀態(tài)校正操作以轉(zhuǎn)換到所投影的狀態(tài)。在示例性實(shí)施例中，校正操作是單量子位操作，單量子位操作能夠包括通過或不操作(nooperation)、位翻轉(zhuǎn)(bitflip)或等同的非操作或Z操作中的一個(gè)或多個(gè)。對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)執(zhí)行的位翻轉(zhuǎn)或非操作交換了基礎(chǔ)狀態(tài)，例如l個(gè)〉叫"。Z操作在物質(zhì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)狀態(tài)之間引入相對(duì)的符號(hào)變化，例如ltHt〉和W"Hl表1指示出用于對(duì)來自貝爾狀態(tài)測(cè)量的不同測(cè)量結(jié)果執(zhí)行的適當(dāng)狀態(tài)校正操作。表l:測(cè)量結(jié)果和所需校正<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>用于步驟460的可替換的測(cè)量技術(shù)使用圖3B的測(cè)量系統(tǒng)300B來測(cè)量模132和162的組合狀態(tài)的奇偶性(parity),然后測(cè)量奇偶性測(cè)量的模335和365的所得狀態(tài)在模335和364的對(duì)角線基礎(chǔ)狀態(tài)上的投影。為了實(shí)現(xiàn)這些測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)300B包括非吸收奇偶性檢測(cè)器320和檢測(cè)器325,所述檢測(cè)器325用于在相應(yīng)的對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量模335和365。非吸收奇偶性檢測(cè)器320的操作和實(shí)現(xiàn)取決于用于模132和162中的量子位的表示。例如，在光子模132和162這二者中使用單軌表示，奇偶性檢測(cè)器320能夠測(cè)量模132和162總的來說包含偶數(shù)個(gè)光子還是奇數(shù)個(gè)光子，而不確定總的光子數(shù)目。WJ.Munro，K.Nemoto，R.G.Bea謂leil和T.P.Spiller，Phys.Rev.A71，033819(2005)描述了用于實(shí)現(xiàn)這種類型的奇偶性測(cè)量的技術(shù)和系統(tǒng)。奇偶性測(cè)量將等式4的狀態(tài)^〉投影到希爾伯特子空間，所述希爾伯特子空間依賴于測(cè)量結(jié)果。檢測(cè)器325然后在相應(yīng)的對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量光子模335和365。例如，模3"的狀態(tài)在狀態(tài)|+〉-何+|1〉)/^或卜〉=(]0〉-|1〉)/^上的投影。執(zhí)行對(duì)角線測(cè)量的檢測(cè)器325的實(shí)現(xiàn)依賴于在奇偶性測(cè)量的模335和365中使用的基礎(chǔ)。對(duì)于具有基礎(chǔ)狀態(tài)|//〉和^〉的極化表示，每個(gè)檢測(cè)器325都能夠通過使用極化器和光子檢測(cè)器而被簡單地實(shí)現(xiàn)，所述極化器具有的極化軸與水平呈45°，所述光子檢測(cè)器能夠檢測(cè)單光子。對(duì)于單專九基礎(chǔ)，如在題為"QuantumOpticalStateConverter"的美國專利申請(qǐng)?zhí)?0/837,129中所描述的光-光轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒛?32的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成極化表示以用于如上所描述的測(cè)量?？商鎿Q地，如A.P.Lund和T.C.Relph，Phys.Rev.A66，032307(2004)所描述的才全測(cè)器能夠直接在單軌表示的對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量模335或365。奇偶性測(cè)量和對(duì)角線測(cè)量的結(jié)果指示步驟470必須執(zhí)行什么單量子位操作(如果有的話)來將所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110置于期望的狀態(tài)。例如，表2示出使用奇偶性測(cè)量以及在各狀態(tài)l+〉上的投影使物質(zhì)狀態(tài)和光子狀態(tài)解除糾結(jié)的例子，該表指示出與不同的測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng)的合適的狀態(tài)4文正。表2:使用奇偶性測(cè)量的測(cè)量結(jié)果以及所需的校正<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>圖3C示出測(cè)量系統(tǒng)300C，該測(cè)量系統(tǒng)使用受控的非門330和檢測(cè)器332和334以使光子模132和162的狀態(tài)與所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的狀態(tài)解除糾結(jié)。CNOT門330如等式5所指示的那樣轉(zhuǎn)換組合系統(tǒng)的狀態(tài)|y〉。檢測(cè)器332然后測(cè)量目標(biāo)模162是處于lo、還是處于ll〉p。對(duì)模162的測(cè)量結(jié)果0或1將系統(tǒng)狀態(tài)^〉投影到表3所指示的相應(yīng)的投影狀態(tài)。檢測(cè)器334測(cè)量控制模13的狀態(tài)2到對(duì)角線基礎(chǔ)狀態(tài)上(例如，到J0〉e-ll〉》V^上)的投影，以使光子狀態(tài)132和162與所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110解除糾結(jié)。根據(jù)測(cè)量控制和目標(biāo)模所得的結(jié)果的四種不同的組合指示需要哪些狀態(tài)操作來產(chǎn)生期望的狀態(tài)。等式5.W—士[c。l個(gè)00〉"l"0〉+c。Kn》+c'l個(gè)01〉]表3:<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>圖3D圖示了能夠執(zhí)行測(cè)量步驟460的又一測(cè)量系統(tǒng)300D。對(duì)于該實(shí)施例，步驟460中的測(cè)量開始于將模132和162引導(dǎo)至射束分離器(beamsplitter)340中，對(duì)單軌表示的光子基礎(chǔ)狀態(tài)而言，它如等式6中所指示的那樣對(duì)等式4的系統(tǒng)狀態(tài)W進(jìn)行轉(zhuǎn)換。非吸收奇偶性檢測(cè)器342把在每個(gè)模中僅具有0或2個(gè)光子的狀態(tài)與在射束分離器340的輸出模其中一個(gè)中具有一個(gè)光子的狀態(tài)相區(qū)別開。該測(cè)量將系統(tǒng)狀態(tài)投影到等式6的右邊的第一或第二方括號(hào)中的項(xiàng)。在該奇偶性測(cè)量結(jié)果控制下的光開關(guān)334在每個(gè)模都具有偶數(shù)個(gè)光子的情況下將光子模引導(dǎo)至測(cè)量系統(tǒng)346，或者在至少一個(gè)模正好具有一個(gè)光子的情況下將光子模引導(dǎo)至測(cè)量系統(tǒng)348。因此，測(cè)量系統(tǒng)346對(duì)與等式6的第一組方括號(hào)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)起作用，而測(cè)量系統(tǒng)348對(duì)與等式6的第二組方括號(hào)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)起作用。等式6:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>測(cè)量系統(tǒng)346包括50-50射束分離器和貝爾狀態(tài)分析器。具有0或2個(gè)光子的分量狀態(tài)通過射束分離器，產(chǎn)生狀態(tài)c。IOO〉+c,111〉。因而得知，兩個(gè)(可能的四個(gè))貝爾狀態(tài)中僅一個(gè)能夠產(chǎn)生，這樣測(cè)量系統(tǒng)346中的貝爾狀態(tài)分析器(它僅需要區(qū)別兩個(gè)貝爾狀態(tài))就沒有圖3A的貝爾狀態(tài)分析器310那么復(fù)雜。來自系統(tǒng)346中的貝爾狀態(tài)分析器的測(cè)量結(jié)果從而區(qū)別出表1中的上面兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，而表1的這兩行給出與來自系統(tǒng)346的測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的校正和結(jié)果狀態(tài)。測(cè)量系統(tǒng)348對(duì)來自開關(guān)344的每個(gè)光模進(jìn)行測(cè)量。這些測(cè)量應(yīng)該在等式6的基礎(chǔ)《0〉，|1〉}中執(zhí)行，由于射束分離器340的作用，這在原始輸入模135和165的對(duì)角線基礎(chǔ)中有效地進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)348檢測(cè)到一個(gè)且僅檢測(cè)到一個(gè)光子，因此只有兩個(gè)可能的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)于狀態(tài)|01〉和|10〉，并且系統(tǒng)348能夠使用任何能夠區(qū)別狀態(tài)|01〉和|10〉的檢測(cè)器。例如，系統(tǒng)348可以使用解析(resolve)光子數(shù)的檢測(cè)器，但是甚至更簡單的僅區(qū)別真空(vacuum)和非真空(non-vacuum)狀態(tài)的"桶(bucket)"檢測(cè)器也是可以的。在系統(tǒng)348中，識(shí)別狀態(tài)|01〉的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生表1的第3行的投影狀態(tài)，它需要如表1第3行所指示的狀態(tài)校正。其他測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生表l第4行的狀態(tài)，類似地它需要如表1第4行所指示的狀態(tài)校正。將量子信息從物質(zhì)系統(tǒng)讀到光系統(tǒng)能夠采用與上面針對(duì)寫操作所描述的那些相似的系統(tǒng)和技術(shù)。例如，圖5是量子相干系統(tǒng)500的框圖，所述系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)將量子信息從輸入模160的光子狀態(tài)l"w寫到物質(zhì)系統(tǒng)110的組件。可替換地，在系統(tǒng)500中，寫操作能夠通過使用例如圖4的過程400來執(zhí)行。系統(tǒng)500還能夠產(chǎn)生用于表示從物質(zhì)系統(tǒng)IIO讀取的信息的光子量子位I力，。如上所述，系統(tǒng)500中的物質(zhì)系統(tǒng)IIO被包含在具有優(yōu)選輻射模130的相應(yīng)光腔120中。同樣如上所描述的激勵(lì)系統(tǒng)140能夠有選擇地激勵(lì)物質(zhì)系統(tǒng)110，以使一個(gè)或多個(gè)激發(fā)狀態(tài)的衰變(例如狀態(tài)le〉或狀態(tài)lTe〉和l"〉)產(chǎn)生輻射模130和相應(yīng)的物質(zhì)系統(tǒng)110的糾結(jié)的量子狀態(tài)。用于4換圖1的光網(wǎng)絡(luò)154的光網(wǎng)絡(luò)550，能夠通過選擇其中一個(gè)輻射模130來選擇用于讀或?qū)戇^程的物質(zhì)系統(tǒng)110,并且選擇是通過將電子從所選擇的輻射模路由到測(cè)量系統(tǒng)300還是路由到狀態(tài)校正系統(tǒng)560來執(zhí)行讀或?qū)?。系統(tǒng)500還包括測(cè)量系統(tǒng)540，該測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的狀態(tài)。測(cè)量系統(tǒng)540的具體實(shí)現(xiàn)通常取決于物質(zhì)系統(tǒng)110以及物質(zhì)系統(tǒng)IIO表示量子信息所使用的表示。對(duì)于多種物質(zhì)系統(tǒng)而言，在量子信息處理領(lǐng)域中，測(cè)量系統(tǒng)是公知的，所述多種物質(zhì)系統(tǒng)包括如本發(fā)明示例性實(shí)施例中的使用NV金剛石缺陷的系統(tǒng)。參見例如，Jelezko等人，Phys.Rev.Lett.92,076401(2004)和Nizovtsev等人，OpticsandSpectroscopy99，233(2005)。在將在下文進(jìn)一步描述的讀操作期間，來自測(cè)量系統(tǒng)540的測(cè)量結(jié)果控制狀態(tài)校正系統(tǒng)560是否改變模134的狀態(tài)以產(chǎn)生期望的輸出光子狀態(tài)l《〉^。圖6是能夠通過使用系統(tǒng)500而被執(zhí)行的讀過程600的流程固。在過程600的步驟610中，物質(zhì)系統(tǒng)110被選擇，例如通過操作光網(wǎng)絡(luò)550來選擇，以便為從所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)IIO輻射的光子提供去往輸出模134的路徑。所選擇的系統(tǒng)110被假定處于狀態(tài)l》m，以表示待讀取的量子位。等式7指示物質(zhì)量子位的一般形式，其;c。和Cl是服從歸一化要求的復(fù)系數(shù)。等式7:1^"。l個(gè)〉+c'W在步驟620中，激勵(lì)系統(tǒng)140產(chǎn)生7i-脈沖或者以其他方式激勵(lì)所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110，然后步驟630等待來自激發(fā)狀態(tài)的衰變的光子輻射。激勵(lì)和衰變產(chǎn)生如等式8A和8B中所指示的物質(zhì)系統(tǒng)110和光子模134的糾結(jié)狀態(tài)，這取決于物質(zhì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)狀態(tài)中的一者還是二者具有相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)。等式8A:K^^卜'le〉^^l,〉'+^ll〉'等式8B:Ww"^c。l"〉+sH^^。l個(gè)〉l及〉,+c,WlA步驟640在對(duì)角線基礎(chǔ)上，使用測(cè)量系統(tǒng)540來測(cè)量所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110。如果在對(duì)角線基礎(chǔ)上的測(cè)量指示所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110處于(I個(gè)〉+I"W^，則所期望的光子狀態(tài)k〉。w已經(jīng)在無需狀態(tài)校正的情況下被產(chǎn)生。如果在對(duì)角線基礎(chǔ)上的測(cè)量指示所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110處于(I個(gè)〉-I")/V5，則狀態(tài)校正系統(tǒng)560對(duì)光子狀態(tài)執(zhí)行Z操作以產(chǎn)生期望的光子狀態(tài)l9〉。w。對(duì)于光子狀態(tài)，Z操作在基礎(chǔ)狀態(tài)之間引入了符號(hào)改變，例如l0〉—|0)和|1〉—-|1》或|句—Iff〉和W—W,這取決于所使用的基礎(chǔ)狀態(tài)。圖7示出了可替換的量子相干系統(tǒng)700,該系統(tǒng)使用用于讀操作的輔助光子狀態(tài)，它產(chǎn)生由兩個(gè)光模的糾結(jié)狀態(tài)表示的量子位。系統(tǒng)700包括如上所述的物質(zhì)系統(tǒng)110、光腔120,激勵(lì)系統(tǒng)140、光網(wǎng)絡(luò)550和測(cè)量系統(tǒng)540。光子源710產(chǎn)生輔助光子，所述輔助光子具有光子模715的已知狀態(tài)，例如l+〉p-(10〉,|l〉p)/7^。奇偶性檢測(cè)器720、134和715"進(jìn)行測(cè)量;操縱以產(chǎn)生表示所讀的量子位的期望的輸出狀態(tài)。圖8是能夠通過使用圖7的系統(tǒng)700而被執(zhí)行的讀過程800的流程圖。讀過程800開始于選擇待讀取的物質(zhì)系統(tǒng)110的步驟810。光網(wǎng)絡(luò)550能夠通過為從包含所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110的腔120輻射的光子提供到模134的路徑來選擇物質(zhì)系統(tǒng)110。在步驟820，激勵(lì)系統(tǒng)140激勵(lì)所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110,物質(zhì)系統(tǒng)110之后在步驟830期間衰變。這樣就在步驟830產(chǎn)生諸如上面的等式8A和8B所示那樣的糾結(jié)的質(zhì)量-光狀態(tài)。步驟840然后使用光子源710來產(chǎn)生處于已知狀態(tài)的輔助光子。等式9示出在輔助光子模的已知狀態(tài)處于狀態(tài)l+〉p時(shí)就光子模134和715中的單軌表示而言系統(tǒng)700的結(jié)果狀態(tài)?？商鎿Q地，讀操作可以在對(duì)如下所描述的后續(xù)測(cè)量或狀態(tài)校正進(jìn)行適當(dāng)修改的情況下為輔助模715使用其他已知狀態(tài)或者使用可替換的量子位表示。等式9:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>在步驟850中，非吸收奇偶性檢測(cè)器720測(cè)量光子模134和715的組合奇偶性。奇偶性測(cè)量將系統(tǒng)狀態(tài)—〉投影到兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，其中奇偶性測(cè)量結(jié)果識(shí)別狀態(tài)。表4示出與讀操作800的例子的偶測(cè)量結(jié)果和奇測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)。步驟860然后在對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量所選擇的物質(zhì)系統(tǒng)110,這消去了物質(zhì)系統(tǒng)110的狀態(tài)與光子模715和134的狀態(tài)之間的耦合。作為步驟850和860中的測(cè)量的結(jié)果，光子模715和134將會(huì)是四個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，其中該特定狀態(tài)是由奇偶性和對(duì)角線測(cè)量的結(jié)果來預(yù)測(cè)(herald)的。在步驟870中，校正系統(tǒng)740能夠執(zhí)行將預(yù)測(cè)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到以糾結(jié)的光子表示的期望量子位狀態(tài)的操作。表4示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例的校正操作。表4:<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>上述讀和寫操作已經(jīng)說明了寫到單物質(zhì)系統(tǒng)或從單物質(zhì)系統(tǒng)讀的例子。寫和讀能夠是就對(duì)應(yīng)于與其他系統(tǒng)的狀態(tài)相糾結(jié)的量子狀態(tài)的量子信息而言的讀和寫。特別地，寫和讀操作對(duì)與一個(gè)或多個(gè)量子位相糾結(jié)的量子位起作用，所述一個(gè)或多個(gè)量子位可能被讀或?qū)懟蛘呖赡懿槐蛔x或?qū)憽６?，關(guān)聯(lián)于與任何類型的其他系統(tǒng)(未示出)糾結(jié)的光子狀態(tài)的量子信息能夠被寫入物質(zhì)量子位，這將使物質(zhì)量子位與其他系統(tǒng)相糾結(jié)。類似地，與其他系統(tǒng)相糾結(jié)的物質(zhì)量子位能夠被讀取以產(chǎn)生與其他系統(tǒng)相糾結(jié)的光子狀態(tài)。此外，兩個(gè)或更多讀或?qū)懖僮髂軌虮徊⑿械貙?duì)光和物質(zhì)系統(tǒng)實(shí)施，并且被寫或讀的狀態(tài)能夠是糾結(jié)狀態(tài)。例如，多量子位光子糾結(jié)的狀態(tài)可以被完全或部分地(例如，僅光子量子位中的一些)寫入物質(zhì)量子位，且同時(shí)寫操作保持糾結(jié)。類似地，多量子位糾結(jié)的物質(zhì)狀態(tài)可以被完全或部分地讀入光子量子位。物質(zhì)系統(tǒng)的激勵(lì)和衰變還允許簡單創(chuàng)建物質(zhì)系統(tǒng)和光子模的糾結(jié)狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，將糾結(jié)的量子位讀或?qū)懭胛镔|(zhì)系統(tǒng)并且創(chuàng)建糾結(jié)的物質(zhì)-光狀態(tài)的能力允許以有助于差錯(cuò)校正的糾結(jié)的物質(zhì)-光狀態(tài)來對(duì)量子位或其他量子信息進(jìn)行編碼。更具體地，能夠使用物質(zhì)-光系統(tǒng)的糾結(jié)狀態(tài)來對(duì)量子信息進(jìn)行編碼，所述物質(zhì)-光系統(tǒng)允許在一個(gè)或多個(gè)光子丟失時(shí)使用物質(zhì)系統(tǒng)的測(cè)量來執(zhí)行對(duì)光子狀態(tài)和量子信息恢復(fù)的操作。等式10示出量子位編碼的基礎(chǔ)狀態(tài)l0、和^的一個(gè)例子，所述量子位編碼使用兩個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)和兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的光子輻射模之間的糾結(jié)。等式11示出如何以編碼的狀態(tài)IA或者等同地以密度矩陣p把與量子位系數(shù)C。和Cl相關(guān)聯(lián)的量子信息與基礎(chǔ)狀態(tài)|0〉￡和|1、相聯(lián)系。等式10:10》=勁個(gè)^[阿+1;"]塞10〉","|1〉,*[1個(gè)^0個(gè)引","等式ll:"^14+^|0〉羞+^|《^+|^|1》禮4。「|0〉￡,|0^〈0|￡2禮,+c。c;|。>￡2〈1|《!L|l〉i2〈0|H,|1〉"|1〉禮2禮'等式11的編碼的量子位能夠在物理上被嵌入諸如圖9的系統(tǒng)900之類的量子相干系統(tǒng)。系統(tǒng)900包括如上所描述的位于具有各自的輻射模130-1和130-2的腔120中的物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2。為了簡化等式10的基礎(chǔ)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，每個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110都是這樣的類型，即具有如圖2B中所示的分別與狀態(tài)l個(gè)〉和l"相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)激發(fā)狀態(tài)卜個(gè)〉和卜"，以使在被激勵(lì)之后，物質(zhì)系統(tǒng)110以輻射模130的各自的極化狀態(tài)l"和lr〉輻射光子?；A(chǔ)狀態(tài)lo》能夠通過將物質(zhì)系統(tǒng)130-1和130-2中的每個(gè)設(shè)置成處于狀態(tài)I+L，使用激勵(lì)系統(tǒng)140激勵(lì)物質(zhì)系統(tǒng)110，以及等待激發(fā)狀態(tài)衰變以及腔釋放光子到輻射模而在系統(tǒng)900中很簡單地建立?；A(chǔ)狀態(tài)^能夠通過將物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2中的每個(gè)設(shè)置成處于狀態(tài)I-L，使用激勵(lì)系統(tǒng)140激勵(lì)物質(zhì)系統(tǒng)110,以及等待激發(fā)狀態(tài)和腔模衰變而在系統(tǒng)900中建立。圖IO是用于把由第一物質(zhì)系統(tǒng)110-1的狀態(tài)c。l個(gè)〉,+c,IA表示的量子位轉(zhuǎn)換成使用物質(zhì)和光系統(tǒng)的狀態(tài)的編碼。過程1000說明了其中所述編碼使用等式11中所示的兩個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的輻射模的例子，但是如以下所進(jìn)一步描述的那樣，能夠使用類似的技術(shù)來構(gòu)建使用物質(zhì)和光狀態(tài)的其他組合的其他編碼。在示例性實(shí)施例中，過程1000開始于步驟1010，其中將第二物質(zhì)系統(tǒng)110-2設(shè)置成已知狀態(tài)，該已知狀態(tài)是第二物質(zhì)系統(tǒng)110-2的基礎(chǔ)狀態(tài)的組合，例如處于狀態(tài)|+〉2=(|個(gè)〉2。步驟1020對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2的組合狀態(tài)執(zhí)行奇偶性測(cè)量。奇偶性測(cè)量能夠通過在物質(zhì)系統(tǒng)IIO被激勵(lì)之后使用輻射的光子來執(zhí)行，并且在此只要測(cè)量沒有區(qū)別出光子的源，破壞性光子測(cè)量就是容許的。偶數(shù)奇偶性測(cè)量結(jié)果指示物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2處于狀態(tài)c。irr〉+c,iw〉，而奇數(shù)奇偶性測(cè)量結(jié)果指示物質(zhì)系統(tǒng)iio-i和110-2處于狀態(tài)c。l個(gè)丄〉+c,l討〉。用于執(zhí)行狀態(tài)校正的步驟1030，僅當(dāng)奇偶性測(cè)量1020發(fā)現(xiàn)奇數(shù)奇偶性時(shí)才對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)110-2執(zhí)行位翻轉(zhuǎn)或非操作，以使在步驟1030之后，不管先前的測(cè)量結(jié)果如何，物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2都處于狀態(tài)c。irr〉+cr,iw〉。步驟1040對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2中的每個(gè)執(zhí)行哈達(dá)馬德(Hadamard)操作。物質(zhì)系統(tǒng)110-1和110-2然后處于狀態(tài)c。士^l,^lVI化卜ifl",-l,^IVm步驟腦然后能夠激勵(lì)物質(zhì)系統(tǒng)110，并且在步驟1060中等待光子從腔120釋放到輻射模130之后產(chǎn)生所期望的等式11的編碼量子位。過程1000能夠被一般化為在量子位的編碼中使用更多的物質(zhì)系統(tǒng)IIO。例如，步驟1010能夠?qū)-1個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110-2到IIO-N設(shè)置在糾結(jié)狀態(tài)^〉廣l個(gè)〉w+W廣l"》i，然后該糾結(jié)狀態(tài)通過步驟1020的奇偶性測(cè)量而進(jìn)一步與待編碼的量子位相糾結(jié)。在這種情況下，狀態(tài)校正步驟1030產(chǎn)生狀態(tài)c。l""〉廣l卞〉w+c'l化l化"'Hi，該狀態(tài)能夠被轉(zhuǎn)換成使用高達(dá)N個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)110和N個(gè)相關(guān)聯(lián)的輻射模130的編碼。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)輻射模130使用基本狀態(tài)|//〉和|^來進(jìn)行極化表示。極化表示允許圖9的每個(gè)量子非破壞性(Quantumnon-DemolitionQND)檢測(cè)器950-1或者9S0-2來檢測(cè)所測(cè)量的模130-1或130-2是否包含光子，且同時(shí)還保留模130-1和130-2的極化狀態(tài)所表示的量子信息。QND檢測(cè)器950因此能夠檢測(cè)差錯(cuò)，所述差錯(cuò)例如對(duì)應(yīng)于光子的損失或激發(fā)狀態(tài)在分配時(shí)間內(nèi)衰變失敗。在非破壞性檢測(cè)的情況下，如WJ.Munro，K.Nemoto，R.G,Bea畫leil和T.P.Spiller,Phys.Rev.A71，033819(2005)，GJ.MilburnandD.F.Walls,Phys.RevA30,56(1984)，或N.Imoto，H.A.Haus和Y.Yamamoto，Phys.Rev.A32，2287(1985)所描述的，如果沒有檢測(cè)到差錯(cuò)，則測(cè)量不會(huì)中斷(disrupt)對(duì)輻射模的量子操作。能夠看出，即使當(dāng)來自光子模130中任一或二者的光子損失，諸如系數(shù)c。和d之類的量子信息也能夠被從編碼的量子位^恢復(fù)過來。例如，如果當(dāng)系統(tǒng)300最初對(duì)與等式11的密度矩陣p相對(duì)應(yīng)的量子位進(jìn)行編碼時(shí)，QND檢測(cè)器950-2識(shí)別出來自模130-2的光子損失，那么系統(tǒng)900然后將處于與等式12中示出的未歸一化的密度矩陣p'相對(duì)應(yīng)的相干狀態(tài)。包含原始量子信息的相干狀態(tài)能夠通過物質(zhì)系統(tǒng)110的測(cè)量來恢復(fù)。例如，測(cè)量系統(tǒng)550能夠在對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)110-2。如果測(cè)量結(jié)果指示物質(zhì)系統(tǒng)110-2處于狀態(tài)|+>=*(|"+|")，則系統(tǒng)900將具有等式13的形式的密度矩陣p+,它對(duì)應(yīng)于相干狀態(tài)c。lo》,-c,ll〉u。Z操作能夠使用基礎(chǔ)狀態(tài)lo〉u和ll》,來恢復(fù)表示中的原始量子信息。如果在對(duì)角線基礎(chǔ)上的測(cè)量的結(jié)果指示物質(zhì)系統(tǒng)110-2處于狀態(tài)卜>=*(|個(gè)〉-|"),那么系統(tǒng)900將具有等式14的形式的密度矩陣P-，它對(duì)應(yīng)于狀態(tài)c。|0〉￡1+q|1>U并且恢復(fù)了原始量子信息。等式12:叫^1。》美,《(|個(gè)>,〈卞"|化〈化)""1°》"禮,0(1卞"化+〉厲)+c"W"〈。L(|個(gè)〉2〈個(gè)L-W,〈化卜kf|l〉t，(|卞〉2〈U,2〈化)等式13:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>等式14:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>在上述等式10和11的編碼中，每個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)|0、或|1》是第一物質(zhì)系統(tǒng)110-1及其輻射模130-1的糾結(jié)狀態(tài)lo》,或ll〉u和第二物質(zhì)系統(tǒng)110-2及其輻射模130-2的糾結(jié)狀態(tài)loL或ll〉u的積。用于編碼的量子位的相似的基礎(chǔ)狀態(tài)能夠被構(gòu)建成三個(gè)或更多狀態(tài)的積，其中每個(gè)狀態(tài)都是物質(zhì)系統(tǒng)110和相關(guān)聯(lián)的輻射模130的糾結(jié)狀態(tài)。即使在損失兩個(gè)或更多光子之后，這種類型的編碼也能夠通過對(duì)與損失光子的輻射模相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)角線測(cè)量來恢復(fù)量子信息。在測(cè)量結(jié)果識(shí)別的狀態(tài)校正之后，所得的狀態(tài)編碼使用作為較小數(shù)目的糾結(jié)狀態(tài)的積的基礎(chǔ)來對(duì)原始量子信息進(jìn)行編碼。另一可替換的編碼基礎(chǔ)可以使用包括如等式15所示的物質(zhì)系統(tǒng)的未糾結(jié)(unentangled)狀態(tài)的積。即使來自糾結(jié)輻射模的所有光子都損失了，那么與所損失的光子相糾結(jié)的物質(zhì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果也能夠被測(cè)量以便將未糾結(jié)物質(zhì)系統(tǒng)設(shè)置為表示原始量子信息的狀態(tài)。等式15:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage23</formula>盡管已經(jīng)參照特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是所述描述僅僅是本發(fā)明應(yīng)用的例子，并不應(yīng)當(dāng)視為限制。例如，對(duì)可能與其他系統(tǒng)相糾結(jié)或者可能不與其他系統(tǒng)相糾結(jié)的量子位施加的讀和寫過程已經(jīng)被分開描述，但是它們可以被組合。特別地，光量子位可以被寫入物質(zhì)系，充并且然后被讀回到可以具有不同物理性質(zhì)的其他光量子位中。類似地，物質(zhì)量子位可以被讀入光并且然后被寫回到可以具不同物理性質(zhì)(例如不同位置)的一些其他物質(zhì)量子位。另外，針對(duì)量子位而描述的本發(fā)明的原理不局限于二進(jìn)制量子信息，而是能夠被一般化為用于量子信息的其他形式，例如量子四元(qudit)或量子奈特(qunat)。所公開的實(shí)施例的特征的各種其他適配和組合都落入由如下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種過程，包括產(chǎn)生輸入模(162)的光子狀態(tài)，其中光子狀態(tài)表示要被寫入物質(zhì)系統(tǒng)(120)的量子信息；將物質(zhì)系統(tǒng)(120)初始化成已知狀態(tài)，所述已知狀態(tài)是第一基礎(chǔ)狀態(tài)和第二基礎(chǔ)狀態(tài)的組合；對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)(120)施加激勵(lì)，所述激勵(lì)能夠?qū)⒌谝缓偷诙A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；和對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)(120)的輻射模(132)和輸入模(162)的組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其中所述組合狀態(tài)的測(cè)量是這樣的以致輻射模(132)和物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)被解除糾結(jié)，并且物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)取決于量子信息。2.如權(quán)利要求1所述的過程，其中對(duì)組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量包括確定組合狀態(tài)是貝爾狀態(tài)。3.如權(quán)利要求1所述的過程，其中對(duì)組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量包括測(cè)量組合狀態(tài)的奇偶性；和在對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量輸入模(162)和輻射模(132)中的一個(gè)的狀態(tài)。4.如權(quán)利要求1所述的過程，其中對(duì)組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量包括運(yùn)用輸入模(165)和輻射模(135)中的一個(gè)來控制CNOT門(330),其中輸入模(165)和輻射模(135)中的另一個(gè)通過所述CNOT門；和在對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量輸入模(165)和輻射模(135)中的一個(gè)的狀態(tài)。5.如權(quán)利要求1所述的過程，其中對(duì)組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量包括將輸入模(132)和輻射模(162)施加到第一射束分離器(340);測(cè)量第一射束分離器(340)的輸出模的狀態(tài)的奇偶性；響應(yīng)于測(cè)得偶數(shù)奇偶性，將第一射束分離器(340)的輸出模引導(dǎo)至第二射束分離器的輸入模并且將第二射束分離器的輸出模的狀態(tài)識(shí)別為對(duì)應(yīng)于貝爾狀態(tài)；和響應(yīng)于測(cè)得奇數(shù)奇偶性，測(cè)量第一射束分離器(340)的輸出模的狀態(tài)。6.如權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)所述的過程，進(jìn)一步包括對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)校正操作，所述狀態(tài)校正操作是通過組合狀態(tài)的測(cè)量的結(jié)果來識(shí)別的。7.—種系統(tǒng)，包括輸入模(162)，用于表示量子信息的光子狀態(tài)；物質(zhì)系統(tǒng)(120)，具有包括第一基礎(chǔ)狀態(tài)和第二基礎(chǔ)狀態(tài)的量子狀態(tài)；激勵(lì)系統(tǒng)(140),能夠?qū)⒌谝缓偷诙A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；和輻射模(132)，用于當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)(120)從激發(fā)狀態(tài)躍遷時(shí)從物質(zhì)系統(tǒng)(120)輻射的光子；和第一測(cè)量系統(tǒng)(300),能夠測(cè)量輸入模(162)和輻射模(132)的組合狀態(tài)，其中對(duì)組合狀態(tài)的測(cè)量是這樣的以致輻射模(132)和物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)被解除糾結(jié)，并且物質(zhì)系統(tǒng)(120)的結(jié)果狀態(tài)取決于量子信息。8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中第一測(cè)量系統(tǒng)(300)包括貝爾狀態(tài)分析器(310)。9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中第一測(cè)量系統(tǒng)(300)包括非吸收奇偶性檢測(cè)器(320);和對(duì)應(yīng)于輸入模(162)和輻射模(132)中的一個(gè)的對(duì)角線基礎(chǔ)的光子的檢測(cè)器(325)。10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中第一測(cè)量系統(tǒng)(300)包括CNOT門(330);和對(duì)應(yīng)于輸入模(162)和輻射模(132)中的一個(gè)的對(duì)角線基礎(chǔ)的光子的檢測(cè)器(334)。11.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中測(cè)量系統(tǒng)(300)包括射束分離器(340);奇偶性檢測(cè)器(342);光開果(344),在來自奇偶性檢測(cè)器(342)的測(cè)量結(jié)果的控制下操作；位于光開關(guān)(334)的一個(gè)輸出路徑中的第一測(cè)量子系統(tǒng)(346);和位于光開關(guān)中的可替換的輸出路徑中的第二測(cè)量子系統(tǒng)(348)。12.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括第二測(cè)量系統(tǒng)(540),被配置成測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)(120);狀態(tài)校正系統(tǒng)(560);和光開關(guān)，可操作來為把量子信息寫到物質(zhì)系統(tǒng)(120)的操作而把輻射模(132)引導(dǎo)至第一測(cè)量系統(tǒng)，并且可操作來為根據(jù)來自第二測(cè)量系統(tǒng)(540)的結(jié)果所選擇的操作而把輻射模(134)引導(dǎo)至狀態(tài)校正系統(tǒng)(560)。13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括源(710)，被耦合以產(chǎn)生通過狀態(tài)校正系統(tǒng)的輔助模(715)的已知光子狀態(tài)。14.一種過程，包括使用物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)來表示量子信息，其中物質(zhì)系統(tǒng)(120)的量子狀態(tài)包括第一基礎(chǔ)狀態(tài)和第二基礎(chǔ)狀態(tài)；向物質(zhì)系統(tǒng)(120)施加激勵(lì)，所述激勵(lì)能夠?qū)⒌谝缓偷诙A(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；和等待一定時(shí)間段以使激發(fā)狀態(tài)很可能衰變并且由衰變引起的光子很可能進(jìn)入輻射模(130);和在對(duì)角線基礎(chǔ)上測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)(120)。15.如權(quán)利要求14所述的過程，進(jìn)一步包括對(duì)輻射模(130)執(zhí)行狀態(tài)校正操作，所述狀態(tài)校正操作是通過物質(zhì)系統(tǒng)(120)的測(cè)量的結(jié)果來識(shí)別的。16.如權(quán)利要求14所述的過程，進(jìn)一步包括將輔助模(715)準(zhǔn)備在已知狀態(tài)；和對(duì)輔助模(715)和輻射模(134)的組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其中物質(zhì)系統(tǒng)(120)和組合狀態(tài)的測(cè)量是這樣的以致物質(zhì)系統(tǒng)(120)和輻射模(134)的狀態(tài)變?yōu)楸唤獬m結(jié)，而輻射模(134)和輔助模(715)的組合狀態(tài)是糾結(jié)狀態(tài)，所述糾結(jié)狀態(tài)取決于量子信息。17.—種系統(tǒng)，包括物質(zhì)系統(tǒng)(120)，具有包括第一基礎(chǔ)狀態(tài)和第二基礎(chǔ)狀態(tài)的量子狀態(tài)；激勵(lì)系統(tǒng)(140),能夠?qū)⒌谝换A(chǔ)狀態(tài)和第二基礎(chǔ)狀態(tài)中的至少一個(gè)激勵(lì)到相應(yīng)的激發(fā)狀態(tài)；輻射模(134)，用于當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)(120)從激發(fā)狀態(tài)躍遷時(shí)從物質(zhì)系統(tǒng)(120)輻射的光子；和測(cè)量系統(tǒng)(540)，被配置成用以測(cè)量物質(zhì)系統(tǒng)(120);和狀態(tài)校正系統(tǒng)(560),所述輻射模(134)通過所述狀態(tài)校正系統(tǒng)(560)，其中狀態(tài)校正系統(tǒng)(560)被耦合以執(zhí)行根據(jù)來自測(cè)量系統(tǒng)(540)的結(jié)果而選擇的操作。18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括源(710),被耦合以產(chǎn)生通過狀態(tài)校正系統(tǒng)的輔助模(715)的已知光子狀態(tài)。19.一種用于操縱量子信息的過程，包括使用包括基礎(chǔ)狀態(tài)的表示來對(duì)量子信息進(jìn)行編碼，所述基礎(chǔ)狀態(tài)是包括第一系統(tǒng)的第一狀態(tài)和第二系統(tǒng)的第二狀態(tài)的積，其中第一系統(tǒng)包括物質(zhì)系統(tǒng)(120)和光子模(130),第一狀態(tài)是第一物質(zhì)系統(tǒng)(120)和第一光子模(130)的糾結(jié)狀態(tài)；和測(cè)量第一光子模(130)以檢測(cè)光子的損失。20.如權(quán)利要求19所述的過程，其中當(dāng)?shù)谝还庾幽?130)的測(cè)量指示光子損失時(shí)，所述過程進(jìn)一步包括測(cè)量第一物質(zhì)系統(tǒng)(120);和對(duì)第二狀態(tài)執(zhí)行操作，其中操作是根據(jù)來自第一物質(zhì)系統(tǒng)(120)的測(cè)量的結(jié)果而選摔的，并且在所述操作之后，與笫二狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)處于表示量子信息的狀態(tài)。全文摘要結(jié)構(gòu)和方法允許把使用光(160)的狀態(tài)表示的量子信息變換成使用物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)的表示；把由物質(zhì)系統(tǒng)(120)的狀態(tài)表示的量子信息變換成使用光(134)的狀態(tài)的表示；和使用物質(zhì)和光的糾結(jié)狀態(tài)對(duì)量子信息進(jìn)行抗差錯(cuò)編碼以使差錯(cuò)最小化。文檔編號(hào)G06N99/00GK101375301SQ200680038674公開日2009年2月25日申請(qǐng)日期2006年7月21日優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日發(fā)明者K·內(nèi)莫托,R·G·博索萊爾,T·P·斯皮勒,W·J·蒙羅申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司